JP2008211112A - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 第1窒化物半導体層、活性層、第2窒化物半導体層を含む窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成された共振器面に接触する第1保護膜と、該第1保護膜上に形成された第2保護膜と、を有する窒化物半導体レーザ素子であって、第2保護膜は、共振器面側の面及びその面と対向する面に突出した厚膜部を有してなる窒化物半導体レーザ素子。
【選択図】図2
Description
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、保護膜の剥がれやクラックの発生等を抑制した信頼性の高い窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
窒化物半導体層の表面にリッジが形成されており、第2保護膜が、該リッジの下方及びその近傍において、前記厚膜部を有してなることが好ましい。
第2保護膜の厚膜部は、共振器面において横長の楕円形状であることが好ましい。
第2保護膜の厚膜部は、同一面における厚膜部以外の領域に対して膜厚が5%以上厚いことが好ましい。
第2保護膜は、酸化物膜であることが好ましい。
共振器面側の面に形成された厚膜部の面積は、対向する面に形成された厚膜部の面積よりも大きいことが好ましい。
第1保護膜は、六方晶系の結晶構造を有する材料で形成されてなることが好ましい。
第1保護膜は、共振器面と接触する側において、共振器面と同軸配向の結晶構造を有することが好ましい。
共振器面が、M面(1−100)、A面(11−20)、C面(0001)又はR面(1−102)からなる群から選ばれる面であることが好ましい。
ここで、薄膜の領域25aは、共振器面のうち、いわゆる光導波路領域と呼ばれる領域であり、少なくとも活性層12を含み、SCH構造を採用した場合、活性層12と、その上下に位置するガイド層の一部又は全部とを含む領域である。なお、光導波路領域をコア領域と呼ぶ場合もある。
この薄膜の領域25aは、例えば、幅W2(図2(a)参照)が、0.5μm〜3.0μm程度、好ましくは1.0μm〜2.0μm程度が挙げられる。高さH2(図2(c)参照)は、活性層12と同程度〜4000Å程度であればよく、活性層と同程度〜2000Å程度、好ましくは活性層と同程度〜1000Å程度が挙げられる。
窒化物半導体層における共振器面は、例えば、M軸、A軸、C軸及びR軸配向が挙げられ、つまり、M面(1−100)、A面(11−20)、C面(0001)又はR面(1−102)からなる群から選ばれる面、特にM軸配向であることが好ましい。ここでの共振器面とは、通常、上述したような光導波路領域又はNFPに対応する領域を含む領域を意味するが、このような特定の配向をしている共振器面は、少なくとも、光導波路領域又はNFPに対応する領域以外の領域であればよい。また、このような領域のみならず、光導波路領域又はNFPに対応する領域が上述した配向を有していてもよい。
例えば、スパッタ法で成膜する際、ターゲットとして第1保護膜材料を用い、成膜レートを徐々に又は急激に増大させるか、RF電力を徐々に又は急激に増大(増大させる範囲が50〜500W程度)させるか、あるいはターゲットと基板との距離を徐々に又は急激に変化させる(変化させる範囲が元の距離の0.2〜3倍程度)方法、ターゲットとして第1保護膜材料を用いて成膜する際に圧力を徐々に又は急激に低下させる(低下させる圧力範囲が0.1〜2.0pa程度)方法等が挙げられる。
第1保護膜は、例えば、一旦、共振器面全面に所定の膜厚の保護膜を形成し、その後、公知のフォトリソグラフィ(例えば、レジスト塗布、プリベーク、露光、現像及びポストベーク等)及びエッチング工程(アルカリ現像液によるウェットエッチング、塩素系ガスを用いるドライエッチング等)を利用して、あるいは、薄膜の領域にのみ露光又は熱処理など局所的に付し、第1保護膜の膜厚方向において部分的に薄膜化することができる。
厚膜部26aの活性層に対向する面とは反対側の面において、例えば、全幅がリッジ幅の1.7倍程度以下の幅を有する領域であることが適している。具体的には、幅W1(図2(b)参照)が、0.55μm〜10μm程度、好ましくは1.05μm〜5μm程度が挙げられる。高さH1(図2(c)参照)は、活性層12と同程度〜9000Å程度、活性層と同程度〜7000Å程度、好ましくは活性層と同程度である600Å程度〜5000Å程度が挙げられる。
第2保護膜は、上述した第1保護膜と同様、例示した公知の方法等を利用して形成することができる。特に、第2保護膜は、アモルファスの膜として形成することが好ましく、そのために、その成膜方法にもよるが、成膜速度をより早いレートに調整する、成膜時の雰囲気を、例えば、酸素雰囲気に制御する、成膜圧力をより高く調整するなどのいずれか1つ又は2以上を組み合わせて成膜を制御することが好ましい。酸素雰囲気に制御する場合、吸収をもたない程度に酸素を導入することが好ましい。具体的には、スパッタ装置でSiターゲットを用いて成膜し、酸素の流量は、3〜20sccm、RF電力は、300〜800W程度で成膜することが挙げられる。
このように、本発明の半導体レーザ素子では、CODレベルをより向上させるために、第1保護膜を、窒化物膜であって、共振器面と同軸配向とすることが好ましい。しかしながら、第1保護膜の膜厚を厚くすると、第1保護膜と窒化物半導体層との格子定数差から第1保護膜にクラックが発生しやすいという新たな問題が生じる。そこで、第1保護膜の膜厚をクラックが入らないような膜厚にとどめるとともに、第2保護膜をアモルファスの膜によって形成することが好ましい。これにより、第1保護膜と窒化物半導体層との界面における応力をより緩和させながら、第1保護膜の密着性をより向上させ、さらに、必要な部位にのみ第2保護膜を厚膜として形成することにより、不要な箇所への第2保護膜の形成を防止し、より放熱性等を向上させることができる。
窒化物半導体基板は、MOCVD法、HVPE法、MBE法等の気相成長法、超臨界流体中で結晶育成させる水熱合成法、高圧法、フラックス法、溶融法等により形成することができる。
窒化物半導体層は、n側半導体層とp側半導体層に光の光導波路を構成する光ガイド層を有することで、活性層を挟んだ分離光閉じ込め型構造であるSCH(Separate Confinement Heterostructure)構造とすることが好ましい。但し、本発明は、これらの構造に限定されるものではない。
窒化物半導体層の成長方法は、特に限定されないが、MOVPE(有機金属気相成長法)、MOCVD(有機金属化学気相成長法)、HVPE(ハイドライド気相成長法)、MBE(分子線エピタキシー法)など、窒化物半導体の成長方法として知られている全ての方法を好適に用いることができる。特に、MOCVDは結晶性良く成長させることができるので好ましい。
また、埋込膜上には、第3保護膜17が形成されていることが好ましい。このような第3保護膜は、少なくとも窒化物半導体層表面において埋込膜上に配置していればよく、埋込膜を介して又は介さないで、窒化物半導体層の側面及び/又は基板の側面又は表面等をさらに被覆していることが好ましい。第3保護膜は、埋込膜で例示したものと同様の材料で形成することができる。これにより、絶縁性のみならず、露出した側面又は表面等を確実に保護することができる。
第1保護膜(第1膜、第2膜)及び第2保護膜は、共振器面から第2窒化物半導体層表面にかけて連続して形成されていてもよい。窒化物半導体層表面に形成された第1及び/又は第2保護膜とp電極、埋込膜及びp側パッド電極とは離間していてもよいし、接していてもよいし、被覆していてもよい。好ましくは、第1及び/又は第2保護膜が埋込膜及びp電極を被覆するものである。これにより、埋込膜やp電極の剥がれを防止することができる。
第2窒化物半導体層表面に形成された保護膜は、窒化物半導体層の結晶面と同軸配向であることが好ましく、特にC軸配向であることが好ましい。これにより半導体層表面と保護膜との密着性を良好なものとすることができる。
以下に、本発明の窒化物半導体レーザ素子の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
この実施例の窒化物半導体レーザ素子は、図1及び図2(a)〜(c)に示すように、C面を成長面とするGaN基板10上に、第1窒化物半導体層(例えば、n側)11、活性層12及び表面にリッジ14が形成された第2窒化物半導体層(例えば、p側)14をこの順に積層しており、M面を共振器面とする共振器が形成されて構成されている。
このような窒化物半導体レーザ素子は、共振器面に第1保護膜(図2(a)、(c)中、25参照)及び第2保護膜(図2(a)、(c)中、26参照)、さらに、埋込膜15、p電極16、n電極19、第3保護膜17、pパッド電極18等が形成されている。
まず、窒化ガリウム基板を準備する。この窒化ガリウム基板上に、1160℃でTMA(トリメチルアルミニウム)、TMG(トリメチルガリウム)、アンモニア、シランガスを用い、Siを4×1018/cm3ドープしたAl0.03Ga0.97Nよりなる層を膜厚2μmで成長させる。なお、このn側クラッド層は超格子構造とすることもできる。
次に、温度を900℃にして、SiドープIn0.02Ga0.98Nよりなる障壁層を140Åの膜厚で成長させ、続いて同一温度で、アンドープIn0.07Ga0.93Nよりなる井戸層を70Åの膜厚で成長させる。障壁層と井戸層とを2回交互に積層し、最後に障壁層で終わり、総膜厚560Åの多重量子井戸構造(MQW)の活性層を成長させる。
次に、1000℃でアンドープAl0.10Ga0.90Nよりなる層を25Åの膜厚で成長させ、続いてCp2Mg、TMAを止め、アンドープGaNよりなる層を25Åの膜厚で成長させ、総膜厚0.45μmの超格子層よりなるp側クラッド層を成長させる。
このようにして窒化物半導体を成長させたウェハを反応容器から取り出し、最上層のp側コンタクト層の表面にSiO2よりなる保護膜を形成して、共振器面に平行な方向における幅が800μmのストライプ状の構造を形成する。この部分がレーザ素子の共振器本体となる。共振器長は、200μm〜5000μm程度の範囲であることが好ましい。
次いで、p側コンタクト層及び絶縁層の上の表面にNi(100Å)/Au(1000Å)/Pt(1000Å)よりなるp電極を形成する。p電極を形成した後、Si酸化膜(SiO2)からなる保護膜240をp電極の上及び埋込膜の上及び半導体層の側面に0.5μmの膜厚で、スパッタリングにより成膜する。p電極を形成した後、600℃でオーミックアニールを行う。
次に、保護膜で覆われていない露出しているp電極上に連続して、Ni(80Å)/Pd(2000Å)/Au(8000Å)で形成し、pパッド電極を形成する。
その後、基板厚みが80μmになるように窒化物半導体層の成長面と反対側の面から研磨を行う。
n電極とp電極及びpパッド電極とを形成したウェハ状の窒化物半導体基板の第1の主面側に凹部溝をけがきによって形成する。この凹部溝は、例えば、深さを10μmとする。また、共振器面と平行方向に、側面から50μm、垂直方向に15μmの幅とする。次に、この凹部溝を劈開補助線として窒化物半導体基板のn電極の形成面側からバー状に劈開し、劈開面(1−100面、六角柱状の結晶の側面に相当する面=M面)を共振器面とする。共振器長は800μmとし、その後、p電極に平行な方向で、バーをチップ化することで半導体レーザ素子とする。
続いて、AlNの第1保護膜の上に、出射側の端面に、ECRスパッタ装置にて、Siターゲットを用い、酸素の流量が5sccm、マイクロ波電力500W、RF電力500Wの条件でSiO2からなる第2保護膜を2900Å成膜する。
また、反射側には、出射側と同様の成膜条件で、AlNを100Å成膜し、SiO2を2900Å成膜し、その上に(SiO2/ZrO2)を(670Å/440Å)で6周期成膜してもよい。
比較のために、AlNからなる第1保護膜を形成し、第2保護膜において、活性層側に突出せず、一方、活性層の反対面側のみにおいて、SiO2膜からなる第2保護膜が厚膜化したものを形成する以外は、実質的に上述した半導体レーザ素子と同様の製造方法でレーザ素子を形成し、同様の条件で、連続発振後の光出力を測定し、評価した。
図4によれば、第2保護膜の局所的な厚膜を有する本発明の保護膜を備えるレーザ素子において、CODレベルが、第2保護膜の活性層側に厚膜部を有さないレーザ素子に対して、著しく高いことが分かった。
図5によれば、薄膜の領域及び双方に突出した厚膜部を有さないレーザ素子では、上述した第1及び第2保護膜を備えるレーザ素子よりもCODレベルの低下がさらに著しく大きいことが分かった。
また、第2保護膜では、特定の角度付近に配向性を示すピークはほとんど見られず、アモルファス構造であることが確認された。
この実施例では、AlNからなる第1保護膜と、SiO2からなり、両側に突出した厚膜部を有する第2保護膜とを、膜厚を変更して形成する以外、実施例1と同様にレーザ素子を作製した。
得られたレーザ素子は、表1に示す第1保護膜及び第2保護膜の組成及び膜厚のものであった。
図6では、実施例2及び3のいずれも、実施例1のレーザ素子と同様に、CODレベルが良好であることが分かった。また、図示していないが、実施例4〜6についても、実施例1と同様にCODレベルが向上し、寿命特性が良好であることが分かる。
なお、これら実施例から、第1保護膜の膜厚はより薄いほうが、厚いよりもCODレベルの向上に有利な傾向があることが分かった。また、第2保護膜の膜厚の薄厚によって、第1保護膜の膜厚に応じてよりCODレベルの向上に影響を与える傾向があることが分かった。
この実施例では、AlNからなる第1保護膜にレーザ光を露光するのに代えて、AlNからなる第1保護膜を形成した後、公知の方法、例えば、レジストを共振器面上のAlN膜上全面に塗布し、90℃にて30分間大気中でプリベークし、いわゆるコア領域にのみ開口するマスクを用いて露光し、現像及びポストベークを行うことにより、レジストのコア領域に開口を形成し、ドライエッチングを利用して、コア領域のAlN膜を薄膜化し、レジストを除去した後、薄膜の領域を有する第1保護膜上に第2保護膜として、SiO2膜を実施例1と同様に2500Å成膜し、レーザ光の露光を行って、両側に突出する厚膜部を有する第2保護膜を形成する以外は、実施例1と同様にレーザ素子を作製する。
得られたレーザ素子は、実施例1と同様の効果が得られる。
実施例8では、第2保護膜26をAl2O3(膜厚1100Å)で形成する以外、実施例1と同様にレーザ素子を形成する。
実施例1と同様の条件でAlN保護膜を形成し、続いて、出射側の端面にスパッタ装置でAlターゲットを用いて、酸素の流量が5sccm、RF電力500Wの条件でAl2O3からなる第2保護膜を1100Å成膜する。
得られたレーザ素子においては、実施例1と同様の効果が得られる。
実施例9では、図7に示すような窒化物半導体レーザ素子を形成する。
具体的には、保護膜25(第1膜)は、AlNからなり、膜厚100Å程度である。第2膜25’は、GaNからなり、膜厚100Å程度である。第2保護膜は、Al2O3からなり、膜厚1100Å程度である。また、保護膜25に形成された薄膜の領域の膜厚が70Å程度、最大膜厚が100Å程度、すなわち薄膜の領域において30Å程度の窪みを有する。薄膜の領域の幅が2.0μm程度、高さが500Å程度で形成される。さらに、第2膜25’にも、同様の大きさの薄膜の領域を有する。第2保護膜26の厚膜部は2500Å程度、それ以外の領域の膜厚は2400Å程度、最表面における幅が2.1μm程度、高さが600Å程度で形成される。それ以外は、実施例1と同様にレーザ素子を形成する。
続いて、第2膜の上に、出射側の端面にスパッタ装置でAlターゲットを用いて、酸素の流量が5sccm、RF電力500Wの条件でAl2O3からなる第2保護膜を成膜する。
得られたレーザ素子においては、実施例1と同様の効果が得られる。
11 第1窒化物半導体層
12 活性層
13 第2窒化物半導体層
14 リッジ
15 埋込膜
16 p電極
17 第3保護膜
18 p側パッド電極
19 n電極
25 第1保護膜(第1膜)
25’ 第2膜
25a 薄膜の領域
26 第2保護膜
26a 厚膜部
Claims (12)
- 第1窒化物半導体層、活性層、第2窒化物半導体層を含む窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成された共振器面に接触する第1保護膜と、該第1保護膜上に形成された第2保護膜と、を有する窒化物半導体レーザ素子であって、
第2保護膜は、共振器面側の面及びその面と対向する面に突出した厚膜部を有してなる窒化物半導体レーザ素子。 - 第2保護膜の厚膜部は、共振器面の光導波路領域近傍に形成されてなる請求項1に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 窒化物半導体層の表面にリッジが形成されており、第2保護膜が、該リッジの下方及びその近傍領域において、前記厚膜部を有してなる請求項2に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 第2保護膜の厚膜部は、共振器面において横長の楕円形状である請求項1〜3のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 第2保護膜の厚膜部は、同一面における厚膜部以外の領域に対して膜厚が5%以上厚い請求項1〜4のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ。
- 第2保護膜の厚膜部は、1000Å〜3000Åの膜厚を有する請求項1〜5のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 第2保護膜は、酸化物膜である請求項1〜6のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 共振器面側の面に形成された厚膜部の面積は、対向する面に形成された厚膜部の面積よりも大きい請求項1〜7のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 第1保護膜は、少なくとも共振器面の活性層に接触する領域が、第1保護膜の最大膜厚よりも膜厚が薄い請求項1〜8のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 第1保護膜は、六方晶系の結晶構造を有する材料で形成されてなる請求項1〜9のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 第1保護膜は、共振器面と接触する側において、共振器面と同軸配向の結晶構造を有する請求項1〜10のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 共振器面が、M面(1−100)、A面(11−20)、C面(0001)又はR面(1−102)からなる群から選ばれる面である請求項1〜11のいずれか1つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
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